Криостат

НАСА WISE Инфракрасный прибор охлаждается криостатом. Криостат можно увидеть в верхней части космического корабля.

Криостат означает (от слова «крио» «холодный» и «стат» означает «стабильный») — это устройство, используемое для поддержания низких криогенных температур образцов или устройств, установленных внутри криостата. Низкие температуры можно поддерживать внутри криостата с помощью различных методов охлаждения, чаще всего с использованием ванны с криогенной жидкостью, такой как жидкий гелий . Поэтому его обычно собирают в сосуд, по конструкции похожий на вакуумную колбу или Дьюар . Криостаты имеют множество применений в науке, технике и медицине.

Типы

Неметаллический криостат с наклоняемой ванной для жидкого азота.

Криостаты замкнутого цикла

Криостаты замкнутого цикла состоят из камеры, через которую прокачиваются холодные пары гелия. Внешний механический холодильник извлекает более теплые выхлопные пары гелия, которые охлаждаются и перерабатываются. Криостаты замкнутого цикла потребляют относительно большое количество электроэнергии, но их не нужно заправлять гелием, и они могут работать непрерывно в течение неопределенного периода времени. Объекты можно охладить, прикрепив их к металлической холодной пластине внутри вакуумной камеры, которая находится в тепловом контакте с камерой паров гелия.

Криостаты непрерывного действия

Криостаты непрерывного потока охлаждаются жидкими криогенами (обычно жидким гелием или азотом) из дьюара для хранения. Поскольку криоген кипит внутри криостата, он постоянно пополняется постоянным потоком из дьюара-хранилища. Контроль температуры образца внутри криостата обычно осуществляется путем регулирования скорости потока криогена в криостат вместе с нагревательным проводом, присоединенным к контуру регулирования температуры ПИД . Продолжительность времени, в течение которого можно поддерживать охлаждение, определяется объемом доступных криогенов.

Из-за нехватки жидкого гелия в некоторых лабораториях есть оборудование для улавливания и восстановления гелия при его выходе из криостата, хотя эксплуатация этих устройств также дорогостояща.

Криостаты для ванн

Криостаты-ванны по конструкции аналогичны вакуумным колбам, наполненным жидким гелием. Холодная пластина находится в тепловом контакте с ванной с жидким гелием. Жидкий гелий можно пополнять по мере его выкипания с интервалом от нескольких часов до нескольких месяцев, в зависимости от объема и конструкции криостата. Скорость выкипания сводится к минимуму за счет защиты ванны парами холодного гелия или вакуумной защиты стенками из суперизоляционного материала. Пары гелия, выкипающие из ванны, очень эффективно охлаждают тепловые экраны снаружи ванны. В старых конструкциях может быть дополнительная ванна с жидким азотом или несколько концентрических слоев защиты с постепенным повышением температуры. Однако изобретение суперизоляционных материалов сделало эту технологию устаревшей.

Многоступенчатые криостаты

Чтобы достичь температуры ниже, чем у жидкого гелия при атмосферном давлении, к криостату можно добавить дополнительные ступени охлаждения. Температуру до 1 К можно достичь, прикрепив холодную пластину к сосуду с температурой 1 К , который представляет собой контейнер с изотопом He-4, который можно откачивать до низкого давления пара с помощью вакуумного насоса. Температуры чуть ниже 0,300 К можно достичь, используя He-3, редкий изотоп гелия, в качестве рабочей жидкости в гелиевом сосуде.Температуру до 1 мК можно достичь, используя холодильник разбавления или холодильник сухого разбавления, обычно в дополнение к основной стадии и 1 К сосуду. Температуры ниже этой могут быть достигнуты с помощью магнитного охлаждения .

Приложения

Магнитно-резонансная томография и типы исследовательских магнитов

Криостаты, используемые в аппаратах МРТ , предназначены для удержания криогена , обычно гелия , в жидком состоянии с минимальным испарением (выкипанием). Ванна с жидким гелием предназначена для поддержания магнита катушки сверхпроводящего провода сверхпроводящего в сверхпроводящем состоянии. В этом состоянии провод не имеет электрического сопротивления и поддерживаются очень большие токи при малой потребляемой мощности. Чтобы поддерживать сверхпроводимость, катушку необходимо поддерживать ниже температуры перехода, погружая ее в жидкий гелий. Если по какой-либо причине проволока становится резистивной, то есть теряет сверхпроводимость (состояние, известное как « закалка »), жидкий гелий испаряется, мгновенно повышая давление внутри сосуда. , Разрывная мембрана обычно изготовленная из углерода, помещается в дымоход или вентиляционную трубу, чтобы во время скачка давления газообразный гелий можно было безопасно выпустить из аппарата МРТ. В современных криостатах МРТ используется механический холодильник ( криокулер ) для повторной конденсации газообразного гелия и возврата его в ванну, для поддержания криогенных условий и сохранения гелия.

Обычно криостаты изготавливаются с двумя сосудами, расположенными один внутри другого. Внешний сосуд вакуумируется, при этом вакуум действует как теплоизолятор. Внутренний сосуд содержит криоген и поддерживается внутри внешнего сосуда конструкциями, изготовленными из материалов с низкой проводимостью. Промежуточный экран между внешним и внутренним сосудами перехватывает тепло, излучаемое внешним сосудом. Это тепло отводится криоохладителем. В более старых гелиевых криостатах в качестве радиационной защиты использовался сосуд с жидким азотом , а жидкий гелий находился во внутреннем, третьем сосуде. В настоящее время производятся лишь немногие установки, использующие несколько криогенов, с тенденцией к созданию «безкриогенных» криостатов, в которых все тепловые нагрузки снимаются с помощью криорефрижераторов.

Тип биологического микротома

Криостат-микротом

Криостаты используются в медицине для изготовления гистологических препаратов. Их обычно используют в процессе, называемом гистологией замороженных срезов (см. «Процедура замороженных срезов »). Криостат, по сути, представляет собой сверхтонкий «нарезчик деликатесов» , называемый микротомом , помещенный в морозильную камеру. Криостат обычно представляет собой стационарный вертикальный морозильник с внешним колесом для вращения микротома. Температура может варьироваться в зависимости от разрезаемой ткани, обычно от -20 °C до -30 °C. Морозильная камера работает либо от электричества, либо от хладагента, такого как жидкий азот. Доступны небольшие портативные криостаты, которые могут работать от генераторов или автомобильных инверторов. Чтобы свести к минимуму ненужное нагревание, все необходимые механические перемещения микротома можно осуществлять вручную с помощью колеса, установленного снаружи камеры. Новые микротомы имеют электрическую кнопку для продвижения ткани. Точность резки измеряется микрометрами. Ткань разрезается толщиной до 1 микрометра. Обычные гистологические слайды изготавливаются толщиной около 7 микрометров. Образцы, мягкие при комнатной температуре, помещают на режущую среду (часто из яичного белка) на металлический «патрон» и замораживают до температуры резки (например, при -20 ° C). После замораживания образец на патроне монтируется на микротом. Кривошип вращается, и образец продвигается к режущему лезвию. Как только образец разрезается до удовлетворительного качества, его помещают на теплое (комнатной температуры) прозрачное предметное стекло, где он мгновенно расплавляется и прилипает. Предметное стекло и образец сушат в сушилке или на воздухе и окрашивают. Весь процесс от монтажа до считывания слайда занимает от 10 до 20 минут, что позволяет быстро поставить диагноз в операционной при хирургическом иссечении рака. Криостат можно использовать для вырезания гистологического материала и слайдов тканей (например, для локализации ферментов) вне медицинских учреждений, но качество срезов будет плохим по сравнению со стандартными фиксированными гистологическими срезами, закрепленными воском.

См. также

• Лямбда точка холодильника